CN106054997A - 一种无触点交流稳压电源系统 - Google Patents

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刘新正
方强
张厚成
李朋翔
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Nanjing Thinkboy Electric Co ltd
Xian Jiaotong University
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Nanjing Thinkboy Electric Co ltd
Xian Jiaotong University
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/12—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac
    • G05F1/14—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using tap transformers or tap changing inductors as final control devices

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Abstract

本发明公开了一种无触点交流稳压电源系统，包括核心微控制器MCU、具备完整的信号输入和反馈电路、输出执行电路、隔离电路、故障显示电路、功率电子开关及其隔离驱动电路。执行机构为三台(或者多台)变压器，其二次侧串联在主电路中，一次侧通过双向晶闸管并联在负载两侧。无触点交流稳压电源主电路(三台变压器)采用12个双向晶闸管，2个限流电阻。本发明公开的拓扑结构、控制器可以实现对电源电压的正、负补偿，达到稳定电压输出。无触点交流稳压电源系统使用寿命长，可靠性高、调压范围广，成本低廉。

Description

一种无触点交流稳压电源系统
技术领域
本发明属于电机控制以及电源领域，特别涉及一种用于偏远地区以及电压不稳定地区的无触点交流稳压电源系统。
背景技术
随着经济和科学技术的不断发展，各类型的电气设备对电源质量的要求越来越高，交流电压不稳定不仅仅会影响电气设备的正常运行而且会影响其使用寿命。目前市场上的交流稳压设备主要采用带电刷的大功率调压稳压器，该类型的稳压设备由于电刷的存在，在运行过程中将产生噪声而且反应速度慢，随着机械的磨损其维护也越来越频繁，该稳压器不能满足要求长期运行且无人值守的智能设备的要求。
在此之前，有许多专家学者从事该方向的研究，也提出了诸多电路拓扑结构，但是由于未能考虑到变压器一次侧感应出的高电压问题，对于开关器件的耐压要求高，因此增加了交流稳压电源系统的制造成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，本发明提供了一种无触点交流稳压电源系统，降低该系统的制造成本，提高稳定性和可靠性。
为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的。
本发明包括无触点交流稳压电源主电路拓扑结构和基于微控制器MCU的主控制电路，无触点交流稳压电源主电路拓扑结构和基于微控制器MCU的主控制电路连接。
所述无触点交流稳压电源主电路拓扑结构指，接触器串联在整个桥臂电路之前；限流电阻与桥电路串联，并且每个限流电阻并联一个电子开关；最后一对桥臂与限流电阻以及桥电路并联。
微控制器MCU的主控制电路指，微控制器ARM最小系统电路、信号采集电路、光耦隔离、放大电路、输出执行电路、显示电路，以及用于多设备互联和信号汇总的通讯电路；信号采集电路与微控制器ARM最小系统电路的模数转换器相连，放大电路输入端直接与微控制器ARM的I/O接口相连，放大电路输出端与光耦相连，光耦驱动双向电子开关，双向电子开关控制变压器的投切，通讯电路与微控制器ARM最小系统电路的通讯接口连接。
微控制器ARM最小系统电路包括：与微控制器直接相连的外围晶振、电阻电容网络电路。
信号采集电路包括电流和电压采样以及调理电路。
显示电路包括与微控制器的I/O接口相连的LED信号指示灯或LCD显示屏电路。
通讯电路包括与微控制器通讯端口相连的通讯信号调理电路以及与其他设备互联相的标准接口电路。
本发明的技术效果，该主电路运行时，没有参与补偿的变压器的一次侧短路，由于变压器一次侧用晶闸管短路形成回路，变压器铁心饱和程度降低，一次侧的感应电压降低，使得开关器件的选型成本降低。此外，该主电路对不同变比变压器之间的补偿切换，采用了新型的软切换方式而不是直接的开通、关断，避免了浪涌电流和一次侧开路的感应高压。
附图说明
图1是无触点交流稳压电源的原理框图。
图2是无触点交流稳压电源的变压器及晶闸管主电路图。
具体实施方式
参照图1所示，主要说明了该无触点交流稳压电源系统的整个系统结构，围绕微处理器MCU的一些主要电路结构示意图，包括一个与微控制器输入端连接的用于信号采样的信号输入电路、调理电路、MCU控制器、故障显示电路、输出信号放大电路、隔离电路、受控变压器。
参照图2所示，主要说明了整个无触点交流稳压电源的主电路的拓扑结构。Relay为继电器，Q1-Q12为双向晶闸管，两个电阻为限流电阻，限流电阻两端并联一个短路晶闸管。T1、T2、T3分别为三台补偿变压器，三台变压器的同名端有一端接在一起并且与两个桥臂公共端接在一起，另一端分别接三个桥臂。
以下结合附图和具体工作实例针对本发明的具体工作过程做进一步的详细说明。
电源开机状态：
电源开机时，继电器未吸合，MCU控制电路优先上电，此时MCU开始工作，首先进行系统自检，检测是否有故障发生。如果有故障则继电器保持未吸合状态，以免故障引发更严重的后果，同时，显示设备显示当前故障状态以预警，待故障解除之后再进行自检。当通过自检之后，由于采样电路和调理电路都已经正常供电，此时，加在MCU的ADC引脚的偏置电压已经正常建立，MCU对该电压进行AD转换并且进行数字滤波，然后将转换后的结果存到相应的寄存器或者内存中，在之后的电源电压有效值计算时将用该结果做差以获得计算结果，这里每次开机都要重新检测和校对该结果是为了消除温度和电源电压等随机因素引起的误差，相较于根据电路设计时的计算结果来进行运算的方式，每次开机都进行校对的方式虽然有几个到几十个微秒的延时但是尽可能的提高计算精度，这是该发明的算法创新点之一。在系统经过偏置电压校对之后，MCU控制晶闸管Q1、Q3、Q5、Q7(或者Q2、Q4、Q6、Q8)闭合，这是为了当主电路通电时保证所有变压器的一次侧短路，防止由于二次侧流过负载电流而导致铁心饱和使得一次侧产生感应高压。
电源补偿运行：
如图2所示，当输入电源电压出现升高时，MCU的ADC转换结果和有效值计算结果升高，MCU执行负补偿策略(以T1负补偿为例)。MCU输出控制信号控制晶闸管Q1、Q9、Q12开通，使得T1进入负向补偿运行状态；Q4、Q6、Q8开通，使得T2，T3处于短路状态；其余晶闸管闭合(闭合是什么含义？导通？关断？)。当输入电源电压出现降低时，MCU的ADC转换结果和有效值计算结果降低，MCU执行正补偿策略(以T1正补偿为例)。MCU输出控制信号控制晶闸管Q2、Q8、Q11开通，使得T1进入正向补偿运行状态；Q3、Q5、Q7开通，使得T2，T3处于短路状态，其余晶闸管闭合。其余变压器的补偿方式类似，控制策略也类似在此不多赘述。
图中可以得出，T1工作在正补偿状态，T2、T3一次侧短路运行。当其他变压器工作在正补偿状态时，电路结构类似。由于其电路结构与反补偿电路是对称的，在此不多赘述。
状态切换过程：
如图2所示，当输入电压由正常向电压过低过渡时，系统应该从无补偿切换到正补偿运行状态。假设无补偿状态是Q1、Q3、Q5、Q7开通，三台补偿变压器一次侧短路运行。此时所采取的策略是：进入T1正补偿状态时，需要给Q11、Q2开通信号，同时给Q1关断信号，电路稳定运行后即进入正补偿状态，此时无需考虑死区阶段，因为此时R1和R2对电流起到了限制作用。如果电压从过低向正常过渡时，系统应该退出补偿状态，此时所采取的策略应该是，假如T1工作在正补偿，此时Q11是开通状态，先给Q11一侧的所有晶闸管(Q1、Q3、Q5、Q7)触发信号，同时给Q2、Q10关断信号，等待10ms确认关断后即进入无补偿状态。这里需要着重说明，该无补偿状态的存在是至关重要的，不可以跳过该状态直接进入与之相反的补偿状态，此时变压器由于在一次侧短路，晶闸管再次开通所承受的电压大大降低。如果从无补偿状态切换至其他状态，则根据上述补偿策略进行控制。

Claims (7)

1.无触点交流稳压电源系统，其特征在于：包括无触点交流稳压电源主电路拓扑结构和基于微控制器MCU的主控制电路，无触点交流稳压电源主电路拓扑结构和基于微控制器MCU的主控制电路连接。
2.根据权利要求1所述的无触点交流稳压电源系统，其特征在于：所述无触点交流稳压电源主电路拓扑结构指，接触器串联在整个桥臂电路之前；限流电阻与桥电路串联，并且每个限流电阻并联一个电子开关；最后一对桥臂与限流电阻以及桥电路并联。
3.根据权利要求1所述的无触点交流稳压电源系统，其特征在于：微控制器MCU的主控制电路指，微控制器ARM最小系统电路、信号采集电路、光耦隔离、放大电路、输出执行电路、显示电路，以及用于多设备互联和信号汇总的通讯电路；信号采集电路与微控制器ARM最小系统电路的模数转换器相连，放大电路输入端直接与微控制器ARM的I/O接口相连，放大电路输出端与光耦相连，光耦驱动双向电子开关，双向电子开关控制变压器的投切，通讯电路与微控制器ARM最小系统电路的通讯接口连接。
4.根据权利要求3所述的无触点交流稳压电源系统，其特征在于：微控制器ARM最小系统电路包括：与微控制器直接相连的外围晶振、电阻电容网络电路。
5.根据权利要求3所述的无触点交流稳压电源系统，其特征在于：信号采集电路包括电流和电压采样以及调理电路。
6.根据权利要求3所述的无触点交流稳压电源系统，其特征在于：显示电路包括与微控制器的I/O接口相连的LED信号指示灯或LCD显示屏电路。
7.根据权利要求3所述的无触点交流稳压电源系统，其特征在于：通讯电路包括与微控制器通讯端口相连的通讯信号调理电路以及与其他设备互联相的标准接口电路。
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